高温差环境下引水洞衬砌及围岩的强度特性研究

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高温环境将损伤混凝土结构及岩体的力学性能。国内外关于这方面的试验及理论研究,都是针对整体高温下的混凝土而展开的。而高温隧洞中的大多数衬砌混凝土结构处于特定较高的温度变化范围内,温度高低变化及循环波动对衬砌混凝土结构造成损伤乃至破坏对于高温隧洞围岩稳定和衬砌结构受力的影响目前无法量化估计,国内外针对这些处于复杂温度状态的混凝土结构物在遭受高温或温度循环后的力学性能的研究,未见报道。以至于高温隧洞结构喷层的施工难于正常进行。本文以新疆布仑口—公格尔水电站高温引水隧洞项目为背景,以国家自然基金项目《高温环境下水工引水隧洞围岩与支护衬砌结构受力特点研究》(51179153)为依托,针对岩体工程中高温隧洞的混凝土支护结构及洞周围岩特有的环境特征,在高温后及温度循环后的力学性能进行了系统的试验研究及理论分析,从细观上分析了其破坏机理,从宏观上提出了适用于工程实际的模型与公式。得到以下主要研究成果:
　　(1)根据高温隧洞喷层混凝土经历的高温环境,通过室内试验得到了高温下纤维混凝土的强度增长规律。即温度的升高加快了水化反应速率,促进了混凝土早期强度的发展,使混凝土早期强度得到提高;随着温度的继续升高导致水分迁移损失,水化反应中能够利用的水分逐渐减少,即温度的上升会抑制混凝土后期强度的发展引起混凝土后期强度降低。
　　基于化学动力学理论,将高温影响下水泥水化反应过程中钙离子浓度变化与材料的宏观强度相结合,通过描述水泥混凝土胶结物受高温影响的变化量,首次提出了一个能定量描述高温对水泥水化过程中的水分影响,从而影响水化反应方向,进而导致水化产物中钙离子量改变的特征模型,建立出水泥基材料高温下抗折强度细观模型。运用此细观模型与采用试验测得的混凝土抗折强度值进行对比验证,本文模型具有较好的合理性与可靠度。
　　(2)根据高温隧洞混凝土喷层所经历的高温差环境,对喷层混凝土进行了不均匀温度场及不均匀温度梯度的温度边界系统实验研究,得到了高温差下混凝土喷层的强度变化规律。即随着温度差的增加,混凝土强度总体呈现逐渐减小的趋势,不同的高分子纤维混凝土受温度的影响程度不同。对于混凝土试件的劈拉强度,通过试验方式对不同的混凝土材料经历高温差后的早龄期劈拉强度性能进行了探索研究,得到了喷层混凝土结构早期劈裂抗拉强度受温差影响的发展过程。在试验的基础上,基于弹性力学及热力学理论,本文提出了考虑温差因素的劣化影响因子,建立出温差作用下混凝土早期劈裂抗拉强度预测计算模型;并与现场试验数据进行了对比,具有较好的一致性,且公式中包含温度场环境混凝土结构的主要特征参数,能够较全面地反映出喷层混凝土承受的温度差影响和物理特性。
　　同时,根据不均匀温度梯度下混凝土强度劣化的机理分析,基于细观力学的Eshelby和Mori-Tanaka理论,考虑温度梯度下纤维和裂纹之间的相互作用,引入Claperyon方程描述了高温环境下温度梯度对水分迁移的影响,本文建立出高温差下喷层纤维混凝土的细观演化模型,展示了纤维体积份数、微裂纹密度等与混凝土基体开裂强度之间的变化关系。
　　(3)根据衬砌混凝土运行高温差检修低温差工况下的热力学边界条件,开展相应的高温干湿循环试验研究,分析高温隧洞中衬砌混凝土疲劳损伤的发展规律。试验表明,温度循环加载下的强度值都低于非循环加载下的强度值。这充分说明了在温度循环荷载作用下试样产生了疲劳效应。温度的干湿循环会对混凝土的强度产生劣化影响,从而使混凝土出现热疲劳损伤。水泥混凝土内的温度场发生变化会产生热应力,使得混凝土强度降低,每次循环都将引起水泥基材料内部产生新的变化,故循环次数和温度变化对水泥基材料力学性质的劣化具有巨大的影响。
　　以细观热力学和损伤力学的理论为基础,结合混凝土疲劳损伤的发展规律,将冷热反复温度应力影响下的疲劳塑性应变作为损伤因子,然后从细观受力分析出发,建立冷热反复温差下衬砌混凝土的疲劳损伤模型。该模型将冷热温度循环次数与引水洞衬砌的使用年限联系起来,具有重要的现实推广意义。
　　(4)对于温度场作用下的裂隙岩体,基于对含裂隙类岩石材料细观破坏特征的分析,对其代表性体积单元RVE(representative volume element)从力学、数学角度出发,以含裂隙类岩石材料的破坏机制为基础,利用断裂力学理论,本文初步建立出裂隙岩体几何特征参数(如裂隙倾角,裂隙半长度,压剪系数)以及裂隙岩体强度参数(如围压强度、等效裂尖强度因子、剪切断裂韧度、内摩擦角和粘聚力)等与裂隙岩体内应力状态、节理裂隙分布的关系。

著录项

作者
张岩;
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作者单位

西安理工大学;

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授予单位西安理工大学;
学科岩土工程
授予学位博士
导师姓名李宁;
年度 2014
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正文语种中文
中图分类压力隧洞;
关键词
高温差; 引水洞衬砌; 力学性能; 细观强度模型; 疲劳损伤; 围岩强度特性;

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